矿山自燃火灾的性能化防火设计方法探讨

作者:安全管理网 来源:安全管理网 点击:  评论: 更新日期:2017年03月23日

矿山火灾是矿井重大灾害之一。井下一旦发生火灾,对井下人员的生命安全、矿井设备、矿产资源以及地表环境都会产生很大的危害。多年来,通过科研人员和现场技术人员的共同努力,摸索总结出了很多卓有成效的矿山防火设计方法和设计规程。但由于各个矿山的开采条件、通风系统、生产装备差异很大,难以适用统一的标准。因此,要做好矿山防火工作,必须要有突出个性化特点的设计,火灾性能化设计方法的产生与发展为这种思路提供了实现的依据。

性能化防火设计是未来消肪设计的发展方向,也是消防安全工程技术发展的必然趋势和结果。目前,已有学者研究性能化方法在矿山火灾防治中的应用,文献2中给出了矿山防火性能化设计的定义,并说明了矿山防火性能化设计可以达到的效果。但性能化的设计方法在矿山火灾防治领域中涉及较少,在矿山防火中的应用研究还处于摸索阶段。

笔者根据矿山内因火灾的特点,结合我国矿山多年来对自然发火区防火所取得的经验,探讨丁基于性能化防火设计的思想和方法在矿山自燃火灾防治设计中的应用。

1 矿山火灾的特点

1)矿内火灾是在有限空间的井巷中发生的,火焰及有毒气体随巷道内空气流动向各处蔓延,尤其是CO不易扩散冲淡。

2)井下空间狭窄,灭火困难,不便采用大型强力灭火器灭火。

3)矿内空间小,氧气不充沛,煤或者硫化矿自燃时,产生的有毒气体,特别是CO,SO2的含量极高,易致人死亡。

4)内因火灾征兆不明显,开始仅以井下空气的温度和湿度缓慢增加而显现,从自热到自燃的过程较长,尤其在矿柱或采空区的自燃,难于及时发现。

正是由于矿山火灾的以上特点,更需要在防火设计过程中寻求适合矿山火灾防治的技术和方法。

2 性能化防火设计方法

2.1 基本概念和优点

性能化防火设计方法的概念首先在建筑领域中提出。它的主要特点是在防火设计时仅提出消防安全所需要的性能要求或指标,而不明确规定设计人员采用某些特定的解决方法。如何达到这一指标要求,采取什么样的工程措施完全由设计人员确定,但是设计人员最终要向审核人员证明其所选择的解决方法是安全可靠的,所采用的设计计算方法是得到公认的,审核人员也要利用相应的评估工具检验设计方案是否达到安全目标,其设计步骤如图1所示。

图1 性能化设计方法的流程图



与传统的“处方式”规范相比,性能化防火设计具有三大特点:安全目标的确定性、设计方法的灵活性和评估验证的必要性。性能化设计方法更为科学合理,具有更大的灵活性,有助于发挥设计人员的才华和创造性。

2.2 矿山性能化设计的性能规范和防火安全目标

性能化设计方法是建立在消防安全工程学原理与方法之上的,性能化设计方法的发展又推动了性能化规范的发展。性能化规范的作用是制定防火安全的系统目标,包括社会性目标、功能性目标、性能要求。防火安全目标是进行性能化设计的核心所在,是安全系统最终应达到的总体效果,包括了“性能目标和性能标准”两个具体的项目。

矿山防火的性能目标就是:矿山发生火灾后,进行火势控制,最大程度地降低火灾造成的人员伤亡和财产、设备的损失,以及火灾后对环境的影响;或对火灾事故隐患区的治理,彻底消除火灾的发生;从而增强矿山的防灾、抗灾能力,保证矿山生产的正常进行。性能标准是量化的指标,是指单个消防设备或整个系统的有关技术指标,性能标准所提供的临界值可以在设计方案中作为计算数据使用。矿山防火的性能规范要求见表1。

表1 矿山防火安全的条统目标



2.3 矿山性能化设计方案的评估

设计方案初步确定后,需要对方案实施后的效果是否能实现既定的性能目标进行科学的检验和评估,以便最终确定是否采用该方案。可以通过以下两个方面来进行评估:

1)计算机数值模拟。目前国内外有多种商业软件可以模拟矿井火灾时期烟气流的速度、温度、压力分布,以及有毒、有害气体的扩散变化情况。通过模拟结果,很容易判断出是否符合性能目标,从而确定是否采纳方案。

2)现场实验。在发火区采用现场实验,对设计方案在火灾防治中的实际应用效果进行科学的观测、记录,根据实测结果来判断是否能实现既定的性能目标。

3 性能化方法在矿山自燃火灾防火设计中的应用

3.1 矿岩发火燃烧机理

某矿矿体含硫量高,自燃倾向性强,引起矿岩自燃的主要物质是黄铁矿,发生的氧化反应式为



矿石自燃主要发生在矿体与炭质页岩的接触破碎带内。回采崩落硫化物遇氧后发生氧化放热反应,热量聚积一定程度后形成矿石自燃,而其上部的炭质页岩起到助燃作用。接触破碎带及炭质页岩中的黄铁矿的氧化速度较快,而灰岩含矿带中黄铁矿的氧化速度最低,表2为不同矿岩燃烧指标比较。

表2 不同矿岩燃烧指标
通过对矿岩发火燃烧机理的分析可知:井下防火措施应以抑制供氧量为主。这一结论为矿山防火设了技术思路及切入点。

3.2 防火设计方案的确定与分析评怙

为达到矿山的防火安全目标,并根据矿山的实际情况,该矿采取了多种方法、措施来进行井下防火设计。总的要求是:尽可能使矿石与空气接触的时间短,从而减少矿石发生氧化的机会,彻底治理火区事故隐患,消除火灾的发生。

1)开采技术措施。选择合理的开拓方式和采矿方法,尽量减少矿层的切割量,少留矿柱,合理布置采区,快速回采,保证采区回采时间少于自然发火期,回采完毕后及时封闭采空区。

2)通风防火措施。实行机械通风,建立可靠的通风系统,加强通风管理,尽量控制新鲜风流进入崩落区,并加强通风系统的测定和管理,以及对隔火矿柱的监测和预报工作。

3)阻化剂灌水防火。先后采用灌水灭火降温、灌泥浆灭火、用石灰作阻化剂灌水灭火等技术方法来进行防火降温,各方案的优缺点对比见表3。

表3 各方案优缺点评估

 

通过3种方案的对比分析、评估,并且通过现场实验所获得的监测结果与性能标准的对照,该矿最后采用了用石灰作阻化剂灌水灭火的技术方案来进行防火降温。

采用该方案时,该矿向崩落高温区大量灌入2%~3%的石灰水,经过1a的大量灌石灰水后,高温矿岩平均温度从132.8℃降至77.1℃,灌水后火区高温区的范围也逐步缩小;灌水前井下水的pH=1,灌水后pH值上升至2~4;大量灌水灭火降温以前,井下工作面的SO2体积分数为7.74×10-5,通过大量灌水后井下的SO2体积分数小于5×10-6,达到了性能标准的要求。

在地表,由于矿岩移动引起的塌陷区活动导致她气体冒出,污染大气环境。该矿利用塌陷区周围的有利地形,实施定向爆破,把岩土抛掷至火区上方地表,进行覆盖,晟后把泥浆排到覆盖区内,将覆盖区的孔隙充填密实,取得了很好的效果,陷落区的SO2体积分数从1.57×10-4下降到5×10-6以下,完全达到了性能标准。

实践证明:对大面积的崩落区火区采用以石灰作阻化剂的大量灌水降温灭火方法,以及地表覆盖、井下局部密闭、加强通风管理、尽量控制新鲜风流进入崩落区,是行之有效的方法,也证明了性能化设计方法在矿山防火设计中的应用是可行的。

4 结语

利用性能化防火设计方法的优点,结合矿山火灾的特点,对性能化设计方法在矿山防火设计的应用进行了初步的探讨,并介绍了该方法在某矿自然发火区防火设计中的应用,证明了性能化方法在矿山防火设计中应用的可行性。

目前研究性能化方法在矿山防火设计中应用的难点,一方面是没有制定出适合矿山防火的性能化规范体系和性能化标准;另一方面,由于每起矿山火灾都有其独特的发展、蔓延特性,都有其不同的火灾场景,而火灾场景又决定了火灾发展的趋势和预测目标。所以研究火灾场景模型的设置是进行矿山防火设计的关键步骤。

随着计算机技术的发展和各种火灾模型的开发,对于矿山火灾时期烟气流的速度场、温度场、污染物浓度场的运动分布规律等都有了较为深入的研究,这为矿山火灾的防治提供了坚实的理论基础,将极大地促进性能化方法在矿山防火设计中的推广应用。

参考文献:

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2 周福宝,王德明.矿山火灾防治的性能化设计方法J.金属矿山,2004(10):55-58

3 倪照鹏,邱培芳.我国开展建筑性能化防火设计技术研究的思路J.消肪科学与技术,2002,9(5):18-23

4 隋鹏程.中国矿山灾害M.长沙:湖南人民出版社,1998

5 方正,程彩霞,卢兆明.性能化防火设计方法的发展及其实施建议J.自然灾害学报,2003,12(1):63-68

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7 伍爱友,肖国清.性能化设计方法在高层建筑防火设计中的应用J.中国安全科学学报,2006,16(1):83-87

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